Kan materie-antimateriereaktorer fungere?

Å lage 'Star Trek'-strømkilden er fortsatt et stykke unna

coffeekai / Getty Images

Romskipet Enterprise , kjent for fans av 'Star Trek'-serien, er ment å bruke en utrolig teknologi kalt warp drive , en sofistikert strømkilde som har antimaterie i hjertet. Antimaterie produserer visstnok all energien skipets mannskap trenger for å svinge seg rundt galaksen og ha eventyr. Naturligvis er et slikt kraftverk science fiction-verk .

Imidlertid virker det så nyttig at folk ofte lurer på om et konsept som involverer antimaterie kan brukes til å drive interstellare romfartøyer. Det viser seg at vitenskapen er ganske solid, men noen hindringer står definitivt i veien for å gjøre en slik drømmestrømkilde til en brukbar virkelighet.

Hva er antimaterie?

Kilden til Enterprises kraft er en enkel reaksjon forutsagt av fysikk. Materie er 'stoffet' av stjerner, planeter og oss. Den består av elektroner, protoner og nøytroner.

Antimaterie er det motsatte av materie, en slags 'speil'-materie. Den er sammensatt av partikler som hver for seg er antipartikler av de forskjellige byggesteinene til saken , slik som positroner (antipartikler av elektroner) og antiprotoner (antipartikler av protoner). Disse antipartiklene er på de fleste måter identiske med sine vanlige stoff-motstykker, bortsett fra at de har motsatt ladning. Hvis de kunne bringes sammen med vanlige stoffpartikler i et slags kammer, ville resultatet være en gigantisk frigjøring av energi. Den energien kan teoretisk sett drive et stjerneskip.

Hvordan skapes antimaterie?

Naturen lager antipartikler, bare ikke i store mengder. Antipartikler skapes i naturlig forekommende prosesser så vel som gjennom eksperimentelle midler som i store partikkelakseleratorer i høyenergikollisjoner. Nyere arbeid har funnet ut at antimaterie skapes naturlig over stormskyer, den første måten den produseres naturlig på jorden og i atmosfæren.

Ellers krever det enorme mengder varme og energi for å lage antimaterie, for eksempel under supernovaer eller inne hovedsekvensstjerner , for eksempel solen. Vi er ikke i nærheten av å kunne etterligne de massive typene fusjonsanlegg.

Hvordan antimateriekraftverk kan fungere

I teorien blir materie og dens antimaterie-ekvivalent ført sammen og umiddelbart, som navnet antyder, tilintetgjør hverandre, og frigjør energi. Hvordan ville et slikt kraftverk være bygget opp?

For det første må det bygges veldig nøye på grunn av de enorme energimengdene som er involvert. Antistoffet vil bli innesluttet atskilt fra det normale stoffet av magnetiske felt, slik at ingen utilsiktede reaksjoner finner sted. Energien vil da bli utvunnet på omtrent samme måte som atomreaktorer fanger opp brukt varme og lysenergi fra fisjonsreaksjoner.

Materie-antimaterie-reaktorer ville være størrelsesordener mer effektive til å produsere energi enn fusjon, den nest beste reaksjonsmekanismen. Imidlertid er det fortsatt ikke mulig å fullstendig fange den frigjorte energien fra en materie-antimaterie-hendelse. En betydelig mengde av produksjonen blir ført bort av nøytrinoer, nesten masseløse partikler som samhandler så svakt med materie at de er nesten umulige å fange, i det minste for å utvinne energi.

Problemer med antimaterieteknologi

Bekymringer om å fange energi er ikke like viktig som oppgaven med å få nok antimaterie til å gjøre jobben. Først må vi ha nok antimaterie. Det er den største vanskeligheten: å få tak i en betydelig mengde antimaterie for å opprettholde en reaktor. Mens forskere har skapt små mengder antimaterie, alt fra positroner, antiprotoner, antihydrogenatomer og til og med noen få anti-heliumatomer, har de ikke vært i betydelige nok mengder til å drive mye av noe.

Hvis ingeniører skulle samle all antimaterie som noen gang har blitt kunstig skapt, ville det neppe vært nok til å tenne en standard lyspære i mer enn noen få minutter i kombinasjon med vanlig materie.

I tillegg vil kostnadene være utrolig høye. Partikkelakseleratorer er kostbare å kjøre, selv for å produsere en liten mengde antimaterie i kollisjonene. I beste fall ville det koste i størrelsesorden 25 milliarder dollar å produsere ett gram positroner. Forskere ved CERN påpeker at det vil ta 100 quadrillioner og 100 milliarder år med å kjøre akseleratoren for å produsere ett enkelt gram antimaterie.

Det er klart, i det minste med teknologi som er tilgjengelig for øyeblikket, ser den vanlige produksjonen av antimaterie ikke lovende ut, noe som setter stjerneskip utenfor rekkevidde en stund. NASA leter imidlertid etter måter å fange naturlig skapt antimaterie på, som kan være en lovende måte å drive romskip på når de reiser gjennom galaksen.

Leter etter antimaterie

Hvor ville forskerne lete etter nok antimaterie til å gjøre susen? Defra Allen stråling belter – smultringformede områder av ladede partikler som omgir jorden – inneholder betydelige mengder antipartikler. Disse er skapt som svært høyenergiladede partikler fra solen som samhandler med jordas magnetfelt. Så det kan være mulig å fange denne antimaterie og bevare den i magnetfelt-'flasker' til et skip kan bruke den til fremdrift.

Med den nylige oppdagelsen av skapelse av antimaterie over stormskyer, kan det også være mulig å fange opp noen av disse partiklene for vårt bruk. Men fordi reaksjonene skjer i atmosfæren vår, vil antistoffet uunngåelig samhandle med normal materie og utslette, sannsynligvis før vi har en sjanse til å fange den.

Så selv om det fortsatt ville være ganske dyrt og teknikkene for fangst forblir under studier, kan det være mulig en dag å utvikle en teknologi som kan samle antimaterie fra rommet rundt oss til en pris som er mindre enn kunstig skapelse på jorden.

Fremtiden til antimateriereaktorer

Etter hvert som teknologien skrider frem og vi begynner å forstå bedre hvordan antimaterie skapes, kan forskere begynne å utvikle måter å fange opp de unnvikende partiklene som er naturlig skapt. Så det er ikke umulig at vi en dag kan ha energikilder som de som er avbildet i science fiction.

-Redigert og oppdatert avCarolyn Collins Petersen